青藏高原不同類型草地土壤有機(jī)碳特征研究

曹志遠(yuǎn)+易彩霞+王永

摘 要：青藏高原草地土壤蘊(yùn)含著巨大的有機(jī)碳庫，在全球碳循環(huán)中起著重要的作用。該文對青藏高原3種不同類型草地（高寒草甸、高寒草甸草原和溫性荒漠）土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳（水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳）、腐殖質(zhì)組分碳（胡敏酸碳、富里酸碳和腐殖質(zhì)碳）、團(tuán)聚體碳及團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、腐殖質(zhì)組分碳、團(tuán)聚體碳及團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)（包括平均重量直徑、幾何平均直徑、>0.25mm的團(tuán)聚體所占含量及水穩(wěn)定團(tuán)聚體比例）的順序均為溫性荒漠<高寒草甸草原<高寒草甸，高寒草甸土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性最高。

關(guān)鍵詞：草地類型；土壤有機(jī)碳；團(tuán)聚體穩(wěn)定性

中圖分類號 S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）03-04-14-04

Soil Organic Carbon Characteristics of Different Alpine Grasslands in Qinghai-Tibet Plateau

Cao Zhiyuan et al.

（College of Resource and Environmental Science，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China）

Abstract：Alpine grassland soils on Qinghai-Tibet Plateau store a large number of organic carbon and play an important role in the global carbon cycle.We investigated soil organic carbon，active organic carbon（easily oxidizable organic carbon，water soluble organic carbon），humic fraction carbon（humic acid，fulvic acid and humus carbon），aggregate-associated carbon and aggregate stability on the Qinghai-Tibet Plateau in the three different levels grass（alpine meadow，alpine steppe and alpine temperate desert ），and explored their spatial patterns of SOC fraction，and aggregate stability. The results showed that soil organic carbon，active organic carbon，humic fraction carbon，aggregate-associated carbon and aggregate stability all increased in the order alpine temperate desert

Key words：Grassland type；Soil organic carbon；Aggregate stability

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳庫約占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳庫的2/3，在全球碳循環(huán)中起著重要的作用[1]。土壤有機(jī)碳庫的變化及其排放，對大氣中二氧化碳濃度的變化有很大的影響，從而影響全球的氣候變化[2]。因此，近年來土壤有機(jī)碳的貯存受到了各界的廣泛關(guān)注。

青藏高原具有獨(dú)特的海拔、氣候和生態(tài)系統(tǒng)類型，是全球變化的敏感區(qū)域。高寒草原是青藏高原廣泛分布的植被類型之一，它不僅是亞洲中部高寒環(huán)境中典型的生態(tài)系統(tǒng)之一，而且在世界高寒地區(qū)也極具代表性[3]。青藏高寒草地約為1.28×108hm2，是我國重要的畜牧業(yè)基地和生態(tài)屏障。有機(jī)碳庫是青藏高寒草地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫之一，有機(jī)碳庫的微弱變化對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量及生態(tài)系統(tǒng)碳平衡都產(chǎn)生重要影響[1-3]。因此，有必要對青藏高原不同類型草地有機(jī)碳的含量及特征作進(jìn)一步的研究。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者雖然對青藏高原草地碳循環(huán)作了一些相關(guān)方面的文獻(xiàn)報(bào)道，但目前對于青藏高原不同類型草地土壤有機(jī)碳特征的研究仍較少。本研究旨對青藏高原不同類型草地的土壤碳作對比分析，進(jìn)一步揭示不同類型草地土壤碳之間的差別，為科學(xué)評估青藏高原不同草地類型評鑒的研究奠定基礎(chǔ)，同時(shí)對判定影響青藏高原土壤碳變化的因素提供有利的證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 本實(shí)驗(yàn)的研究地點(diǎn)是青藏高原3種不同類型草地（高寒草甸、高寒草甸草原、溫性荒漠），依據(jù)《中國草地資源的類型評價(jià)》來劃分草地的等級，樣地的具體情況如表1所示。

1.2 樣品采集與研究方法

1.2.1 樣品采集 2015年6月采集青藏高原3種不同類型草地土壤樣品。3種不同類型草地中，每隔20m隨機(jī)設(shè)立1個(gè)樣點(diǎn)，重復(fù)4次，采集表層土壤（0～20cm），剔除雜質(zhì)，形成混合樣。將現(xiàn)場采集潮濕的土壤樣品過2mm篩，在室溫下風(fēng)干備用。一部分土壤樣品用于團(tuán)聚體的分級，另一部分過0.25m篩用于有機(jī)碳的測定分析。

1.2.2 研究方法 土壤有機(jī)碳的測定：采用重鉻酸鉀容量（外加熱）法[4]；土壤易氧化有機(jī)碳的測定：采用333mmol·L–1高錳酸鉀氧化法[5]；土壤水溶性和腐殖質(zhì)組分碳的測定：采用腐殖質(zhì)組成修改法[6]，即先用蒸餾水提取水溶性組分（WSOC），后用0.1mol/L的NaOH+Na4P2O7混合堿液提取堿溶性腐殖質(zhì)（HE），調(diào)節(jié)HE溶液的pH為1.0，分離出胡敏酸（HA）和富里酸（FA），堿提取液之后的殘?jiān)鼮楹羲兀℉U）；土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及指標(biāo)的測定：采用Cambardella及Chen Y等[7-9]方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型草地土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳和腐殖質(zhì)組分碳含量 青藏高原3種不同類型草地土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳（水溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳）、腐殖質(zhì)組分碳（胡敏酸碳、富里酸碳、胡敏素碳）及胡敏酸碳與富里酸碳的比值如表2所示。由表2可知，3種不同類型草地土總有機(jī)碳及組分碳含量之間差別較大，其中高寒草甸土壤碳組分的各指標(biāo)含量是最高的，高寒草甸草原土壤次之，溫性荒漠土壤是最低的。3種不同類型草地土壤的胡敏酸碳與富里酸碳的比值介于1.02～1.38，其中高寒草甸和高寒草甸草原土壤胡敏酸碳與富里酸碳的比值差異較小。

本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果同張永強(qiáng)等[10]研究結(jié)果相似，青藏高原不同類型草地的土壤碳含量具有明顯的地帶性差異特征，這與土壤及草地的類型分布一致。土壤中各碳組分主要來源于自然生長的植被凋落物及動(dòng)物殘?bào)w，經(jīng)微生物的分解后進(jìn)入土壤形成[11]，而表層的土壤有機(jī)碳含量與草地的蓋度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性[12]，植被覆蓋度高不僅能有效減少土壤有機(jī)碳的損失，還能增加土壤有機(jī)碳的來源。植被覆蓋度越高，向土壤碳循環(huán)中輸入的凋落物和死亡的根系的量就會(huì)顯著增加，經(jīng)微生物的分解后土壤中的碳組分含量就高，因此植被覆蓋度高的高寒草甸土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)、腐殖質(zhì)組分碳的含量都較高，而植被覆蓋度低的高寒草甸草原和溫性荒漠的土壤碳組分含量較低。研究結(jié)果表明，植被蓋度是影響土壤有機(jī)碳分布的一個(gè)重要性因素，不同類型草地類型植被蓋度的不同導(dǎo)致土壤碳含量之間的差異較大。除了植被蓋度的影響外，降水被視為決定土壤碳含量分布的重要性氣候因素[13]，土壤中水分含量越高，土壤中微生物的生物量越大及部分酶的活性越強(qiáng)，土壤中有機(jī)殘?bào)w的分解及礦化的過程越快，有利于有機(jī)碳含量的積累。高寒草甸與溫性荒漠草原之間的降雨量差別較大，導(dǎo)致土壤礦化的程度不同，因此土壤碳的含量之間的差異也較大。同Martin-Neto等[14]的研究，年平均降雨量的多少影響土壤碳的含量，雖然溫度也是影響土壤碳含量分布的一個(gè)重要性氣候因素，但目前的研究只表明溫度影響部分活性有機(jī)碳的含量及分布。本研究中，由于不同類型草地的植被覆蓋度及降雨量差別較大，沒有體現(xiàn)出土壤溫度對土壤碳含量的影響。因此，青藏高原不同類型的草原土壤有機(jī)碳含量的分布取決于植物群落和土壤水分，而不是土壤溫度[15]。

不同類型草地土壤胡敏酸碳與富里酸碳的比值（表2）表明，3種不同類型草地土壤的胡敏酸均占主導(dǎo)地位。Abril等[16]的研究表明，較高的降水量促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，進(jìn)而促進(jìn)土壤胡敏酸的形成，提高土壤的腐殖化程度。這也就揭示了本研究中高寒草甸和高寒草甸草原與溫性荒漠相比，土壤中胡敏酸碳與富里酸碳比值較高的原因。土壤中的胡敏酸與富里酸的比值，通常作為評價(jià)土壤腐殖化程度高低的重要指標(biāo)，比值越高土壤的腐殖化程度越高[17]。因此，本研究中的高寒草甸和高寒草甸草原土壤的腐殖化程度高于溫性荒漠。

2.2 不同類型草地土壤團(tuán)聚體碳及團(tuán)聚體穩(wěn)定性 不同類型草地土壤團(tuán)聚體粒徑及團(tuán)聚體碳含量如圖1所示。由圖1可知，3種不同類型草地土壤水穩(wěn)定團(tuán)聚體所占比例（圖1a）最高為高寒草甸75.7%，其次為高寒草甸草原29.5%，溫性荒漠最低為27.5%。其中高寒草甸土壤粒徑2～0.25mm的團(tuán)聚體所占比例最高為32.9%，粒徑<0.053mm的團(tuán)聚體最低為13.2%，即團(tuán)聚體不同粒徑所占比例隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而降低；而溫性荒漠土壤團(tuán)聚體所占比例與高寒草甸相反，即團(tuán)聚體不同粒徑所占的比例隨著粒徑的減小而升高。高寒草甸草原土壤粒徑0.25～0.053mm的團(tuán)聚體所占比例最高13.2%，粒徑<0.053mm的團(tuán)聚體最低為6.28%。3種不同類型草地土壤團(tuán)聚體碳的總含量（圖1b）由低到高的順序?yàn)闇匦曰哪?lt;高寒草甸草原<高寒草甸。高寒草甸土壤粒徑2～0.25mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，粒徑<0.053mm的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低，團(tuán)聚體各粒級的有機(jī)碳含量與各粒級團(tuán)聚體所占的比例相似，即有機(jī)碳含量隨著團(tuán)聚體粒徑的減小而降低。而高寒草甸草原和溫性荒漠土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量與高寒草甸相比較低，其中粒徑0.25～0.053mm的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，粒徑2～0.25m，的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低。

不同類型草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)之間差異如表3所示。高寒草甸土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑、幾何平均直徑、>0.25mm團(tuán)聚體含量和水穩(wěn)定團(tuán)聚體所占比例最高，其次為高寒草甸草原，而溫性荒漠最低。相反，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率和不穩(wěn)定團(tuán)聚體指數(shù)高低的順序?yàn)楦吆莸?lt;高寒草甸草原<溫性荒漠。由此表明，不同類型草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的順序?yàn)闇匦曰哪?lt;高寒草甸草原<高寒草甸。

不同類型草地土壤團(tuán)聚體粒徑分布（圖1a）是各不相同的，高寒草甸的植被覆蓋率高，大量的根系系統(tǒng)對土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)作用就強(qiáng)，形成的大團(tuán)聚體較多（>0.25mm）[18-19]，隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，團(tuán)聚體粒徑分布含量也相應(yīng)減少。而高寒草甸草原和溫性草原的植被覆蓋率較低，對土壤的團(tuán)聚作用較弱，土壤中的粒徑小的團(tuán)聚體（<0.25mm）就占有主要的優(yōu)勢，隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，團(tuán)聚體粒徑分布含量逐漸增多。同時(shí)植被覆蓋率也影響不同土壤團(tuán)聚體粒徑碳的含量，植被覆蓋率高的草地土壤碳多集中在大粒徑的團(tuán)聚體中，植被覆蓋率低的多集中在粒徑小的團(tuán)聚體中。不同類型草地等級的退化程度不同，對土壤團(tuán)聚體各級碳含量的差異影響也不同。已有研究表明，不同退化程度草地的土壤團(tuán)聚體碳的含量隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的減小均呈現(xiàn)增加的趨勢，與本研究的結(jié)果一致[18]。

土壤的平均重量直徑、幾何平均直徑、>0.25mm團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率、不穩(wěn)定團(tuán)聚體指數(shù)和水穩(wěn)定團(tuán)聚體所占比例是衡量土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[9，18-19]。其中土壤的平均重量直徑、幾何平均直徑、>0.25mm團(tuán)聚體含量和水穩(wěn)定團(tuán)聚體所占的比例越大及土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率和不穩(wěn)定團(tuán)聚體指數(shù)越低表明土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越高[8-9]。因此，本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明（表3），高寒草甸土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成比其它兩種草地更具有優(yōu)勢，高寒草甸草原和溫性荒漠草原土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性較低。導(dǎo)致不同類型草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性不同的原因，一方面可能是高寒草甸草原的植被覆蓋率較大，龐大的植被根系系統(tǒng)不僅減弱了外界對土壤的侵蝕程度，又增加了土壤有機(jī)碳的輸入，提高了對土壤的膠結(jié)作用[19]；另一方面，由于高寒草甸的降雨量較溫性荒漠草原的高，因此土壤中微生物的生物量大及酶的活性高，加速了土壤的礦化程度及疏松土壤，增強(qiáng)了對土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)作用，因此高寒草甸的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定最高。而已有的研究表明，不同類型草地在干旱環(huán)境下，土壤植被的覆蓋率均隨著年平均降雨量的減少而下降，因此土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也不斷下降，進(jìn)而導(dǎo)致不同類型草地土壤的侵蝕程度不同，土壤碳的含量也隨之不同程度的降低[19]，而土壤碳有機(jī)碳含量的高低，能顯著響應(yīng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[19]。與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果相似，植被覆蓋度及年平均降雨量是影響土壤團(tuán)聚體的重要因素。

3 結(jié)論

（1）青藏高原3種不同類型草地的土壤有機(jī)碳含量、活性有機(jī)碳（水溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳）、腐殖質(zhì)組分碳（胡敏酸碳、富里酸碳和腐殖質(zhì)碳）、土壤團(tuán)聚體碳含量高低的順序?yàn)闇匦曰哪?lt;高寒草甸草原<高寒草甸。

（2）青藏高原3種不同類型草地的團(tuán)聚體穩(wěn)定性為溫性荒漠<高寒草甸草原<高寒草甸，高寒草甸和高寒草甸草原土壤的腐殖化程度較高。

參考文獻(xiàn)

[1]田玉強(qiáng)，歐陽華，徐興良，等.青藏高原土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與密度分布[J].土壤學(xué)報(bào)，2008，45（5）：933-942.

[2]李元壽，張人禾，王根緒，等.青藏高原典型高寒草甸區(qū)土壤有機(jī)碳氮的變異特性[J].環(huán)境科學(xué)，2009，30（6）：1826-1831.

[3]王建林，歐陽華，王忠紅，等.青藏高原高寒草原土壤活性有機(jī)碳的分布特征[J].地理學(xué)報(bào)，2009，64（7）：771-781.

[4]勞家檉.土壤農(nóng)化分析手冊[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1988.

[5]Blair G J，Lefroy R D B，Lisle L.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems [J].Australian Journal of Agricultural Research，1995，46：1459-1466.

[6]Zhang J，Hu F，Li H，et al.Effects of earthworm activity on humus composition and humic acid characteristics of soil in a maize residue amended rice-wheat rotation agro ecosystem[J].Applied Soil Ecology，2011，51：1-8.

[7]Cambardella C A，Elliott E T.Carbon and nitrogen distributions in aggregates from cultivated and grassland soils[J].Soil Science Society of America Journal，1993，57：1071-1076.

[8]Chen Y，Day，S D，Wick A F，et al.Influence of urban land development and subsequent soil rehabilitation on soil aggregates，carbon，and hydraulic conductivity[J].Science of the Total Environment，2014，494-495：329-336.

[9]Liu M，Chang Q，Qi Y，et al.Aggregation and soil organic carbon fractions under different land uses on the tableland of the Loess Plateau of China[J].Catena，2014，115：19–28.

[10]張永強(qiáng)，唐艷鴻，姜杰，等.青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)特征[J].中國科學(xué)D輯，2006，36（12）：1140-1147.

[11]高超.東祁連山不同退化程度高寒草甸草原土壤有機(jī)質(zhì)特性及其對草地生產(chǎn)力的影響[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[12]曹櫻子，王小丹.藏北高寒草原樣帶土壤有機(jī)碳分布及其影響因素[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21（2）：213-219.

[13]Liu Z，Shao M，Wang Y.Effect of environmental factors on regional soil organic carbon stocks across the Loess Plateau region，China[J].Agriculture，Ecosystems&Environment，2011，142：184–194.

[14]Martin-Neto L，Rosell R，Sposito G.Correlation of spectroscopic indicators of humification with mean annual rainfall along a temperate grassland climosequence[J].Geoderma，1988，81：305-311.

[15]Liu W，Chen S，Zhao Q，et al.Variation and control of soil organic carbon and other nutrients in permafrost regions on central Qinghai-Tibetan Plateau[J].Environment.Res.Lett，2014，9：1-9.

[16]Abril A，Villagra P，Noe L.Spatiotemporal heterogeneity of soil fertility in the Central Monte desert（Argentina）[J].J.Arid Environment，2009，73：901–906 .

[17]谷思玉，汪睿，耿澤明，等.生物有機(jī)肥對鹽漬土壤酶活性和腐殖質(zhì)組分的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2014，28（1）：147-151.

[18]蔡曉布，彭岳林，于寶政，等.西藏高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳變化及其影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（11）：92-99.

[19]Boix-Fayos C，Calvo-Cases A，Imeson A.C，et al.Spatial and short-term temporal variations in runoff，soil aggregation and other soil properties along a Mediterranean climate logical gradient[J].Catena，1998，33（2）：123–138.

（責(zé)編：張宏民）